Waterkoeling en casemodding guide, deel 2

Inleiding

Twee maanden geleden verscheen op tweakers.net de eerste guide over waterkoeling. Hierin besprak ik verschillende zaken welke aan bod komen als je begint met waterkoeling. Nu is het tijd voor deel 2 waarin het werk een stukje serieuzer wordt. Met behulp van twee 172W peltiers heb ik ditmaal geprobeerd om een 1,4GHz Thunderbird (met dank aan Eynstein computers) onder het vriespunt te krijgen. Lees hier verder of dat gelukt is, en wat er allemaal komt kijken bij het succesvol gebruiken van peltier elementen.

De opstelling

De opstelling van een waterkoeler met peltier elementen is bijna gelijk aan die van een waterkoelingsysteem zonder peltier elementen. Natuurlijk is het peltier element nieuw, een voeding voor het peltier element en ook een zogenaamde coldplate is nodig.

Het peltier element zit tussen het waterblok en de coldplate ingeklemd en de coldplate zit op zijn beurt weer op de processor. Dit is nodig voor verschillende redenen. Allereerst moet de coldplate het verschil in formaat tussen de processor het peltier element opvangen. Een processor is over het algemeen zo’n 100 à 200 vierkante millimeter groot terwijl een peltier element al snel een factor 10 groter is. Om de warmte van de processor te verspreiden wordt een coldplate gebruikt.

Verder vangt de coldplate snelle temperatuur schommelingen op wat de levensduur van de processor en de peltier elementen verlengt. Volgens de officiële specificaties van peltier fabrikanten mag de temperatuur van een peltier element niet meer dan 1 graden per seconde veranderen. In de praktijk zal het sneller gaan, maar een dikke coldplate is niet onverstandig.

Een goede dikte voor een coldplate is tussen de 5 en 10mm. Hoe dikker de coldplate hoe beter hij warmte kan spreiden en temperatuur schommelingen kan opvangen. Maar dikker betekend ook een grotere warmte weerstand tussen de ene en andere kant waardoor dit een goed compromis is. Om betere resultaten te krijgen is het nodig om het peltier element stevig in te klemmen tussen het waterblok en de coldplate met behulp van boutjes:

DangerDen Maze 2-2 waterblok met peltier elementen

Een tweetal peltier elementen tussen een DangerDen Maze 2-2 waterblok

Werking peltier (1)

De kern van een peltier koeling is natuurlijk het peltier element zelf. Hoewel het op het eerste gezicht een simpel apparaatje lijkt is dat verre van waar. Het peltier effect is een complex natuurkundig verschijnsel waar je stevig aan moet rekenen wil je weten welk temperaturen je kan verwachten. Gelukkig hebben verschillende fabrikanten van peltier elementen handige programma’s in elkaar geknutseld waarmee je simpel achter verschillende eigenschappen kan komen. Verder in het artikel zal ik het programma van Kryotherm gebruiken om wat dieper in te gaan op het peltier effect, maar eerst de basis :

Een peltier element bestaat over het algemeen uit twee plaatjes keramisch materiaal waartussen verschillende blokjes metaal geplaatst zijn. Het materiaal wat wordt gebruikt in moderne peltier elementen is een mix tussen Bismuth en Telluride wat bewerkt is zodat er N en P type halfgeleider blokjes ontstaan. Wanneer hier een spanning over gezet wordt, en er dus een stroom gaat lopen door het element, zal het element warmte van de ene kant naar de andere kant verplaatsen. Een peltier element is dus een soort van warmte pomp:

De belangrijkste specificaties van een peltier element zijn Qmax, DTmax, Vmax en Imax. Deze zal ik hieronder behandelen.

Qmax

Qmax is de hoeveelheid warmte die het peltier element maximaal kan verplaatsen. Deze waarde is bijzonder belangrijk om op te letten bij de aanschaf van een peltier element, omdat een te lage Qmax desastreus kan zijn voor je processor. Als de processor bijvoorbeeld 100W produceert en het peltier element slechts 80W kan wegpompen zal de processor snel warmer worden. Elke seconde wordt er dan namelijk 20J aan warmte geproduceerd welke niet weg kan. Dit zorgt dus gegarandeerd voor enkeltje naar de processor hemel.

Wat ook belangrijk is om in het achterhoofd te houden wanneer Qmax optreedt. Dit is bij temperatuurverschil van 0 graden tussen de warme en koude kant met de maximale spanning (Vmax) over het element. In de praktijk zul je een redelijk temperatuur verschil willen hebben tussen de koude kant en de warmte kant en daarnaast zal het element waarschijnlijk niet de maximale spanning gevoerd krijgen. Derhalve heb je een element nodig wat 1,5 tot 2,5 keer zoveel warmte kan verplaatsen als de processor produceert. Voor een Celeron of Pentium III kan je dus prima een 80W peltier element gebruiken terwijl je voor een AMD Athlon aan een stevige 156 of 172W exemplaar moet denken. Dit is natuurlijk afhankelijk van de processor die je hebt, maar dit is een goede richtlijn. Voor het bereken van de precieze warmteproductie van je processor kan je hier het handige stukje software radiate neerhalen.

DTmax

DTmax geeft het maximale verschil in temperatuur weer tussen de warme en koude kant van het peltier element. Deze waarde is geldig bij een warmtebelasting van 0W op de koude kant (vacuüm dus) en een omgevingstemperatuur van 25 C. In de praktijk kan je dit temperatuurverschil tussen de koude en warme kant dus never nooit niet behalen.

Het temperatuurverschil tussen de warme en koude kant kent een lineair verband met de warmte belasting (het energieverbruik van de processor dus). Als je een 80W peltier element hebt met een DTmax van 70 graden zal je wanneer je hier een 40W belasting op plakt een temperatuurverschil van 35 graden terugvinden. En als je een 172W peltier element gebruikt, ook met een DTmax van 70 graden, zul je een temperatuurverschil van ongeveer 54 graden vinden.

Nog een schema van de werking van een peltier

Werking peltier (2)

Imax en Vmax

Imax en Vmax zijn de waarden die het stroomverbruik van het peltier element bepalen. Dus niet Qmax wat veel mensen geloven. Qmax is de hoeveelheid energie die het peltier element kan verplaatsen, niet de hoeveelheid energie die het gebruikt: dat is zoals het hoort V * I. Vmax en Imax zijn een tweetal speciale waarden van V en I. Als het peltier element deze spanning en stroom toegediend krijgt dan kan hij Qmax wegpompen.

In de praktijk zul je het liefst andere waarden kiezen. De efficiënte van een peltier element wordt hoger bij een lager voltage. De maximale efficiency wordt behaald bij een spanning van praktisch nul volt, maar dan kan het peltier element ook bijna geen warmte wegpompen. Een goed compromis tussen efficiency en pomp capaciteit ligt over het algemeen zo rond 80% van Vmax.

Meer spanning over het peltier element zetten, en er dus een grotere stroom door laten lopen is zinloos. Het temperatuurverschil tussen de warme en koude kant zal zonder twijfel omhoog gaan. Maar omdat de extra verbruikte energie terecht zal komen in het koelwater zal dit warmer worden. Dit heeft op zijn beurt weer als gevolg dat de warme kant warmer wordt wat betekend dat de koude kant ook warmer wordt. Uiteindelijk zul je er niks mee opschieten, de temperatuur van de processor zal gelijk blijven of hoger worden.

Dat je het best een iets lager voltage kan kiezen dan Vmax wordt veroorzaakt door verschillende natuurkundige effecten, maar uiteindelijk komt het er om neer dat de interne warmteproductie van het peltier element een kwadratisch verband is terwijl de pompcapaciteit lineair is.

Het seebeck effect schematisch weergegeven Het is trouwens ook zo dat de benodigde stroom van het peltier element kleiner wordt bij een kleinere warmte belasting. Als je een 172W peltier element hebt en er is geen warmtebelasting aanwezig zal dit element bij 24.6V lang geen 11.3A trekken zoals de specificaties vermoeden. Zodra er een temperatuur verschil ontstaat tussen de warme en koude kant komt het neefje van het peltier effect om de hoek kijken. Het seebeck effect beschrijft namelijk dat een peltier element ook een stroom kan produceren als er een temperatuur verschil aanwezig is. Deze stroom loopt in tegengestelde richting en zorgt er dus dat je een paar ampère minder door het element hoeft te sturen.

Hoofdpunten

Qmax van het peltier element moet 1,5 à 2,5 keer zo hoog zijn als de warmteproductie van de processor.
DTmax zal je in de praktijk lang niet halen
De beste resultaten met een peltierelement haal je zo rond 80% van Vmax.
De warmteproductie van peltier elementen maken waterkoeling een must!

De Kryotherm software

De Russische peltier fabrikant Kryothem heeft een heel mooi stukje software geschreven waarmee je redelijk kan voorspellen wat een peltier element gaat doen bij verschillende temperaturen met verschillende spanningen en stromen. Omdat het peltier effect wordt beschreven door een enorme stapel formules is de computer je beste vriend . Als je het programma hebt opgestart kom je in het volgende scherm terecht waar je een peltier module kan selecteren.

Ik heb hier de Drift 0,8 module geselecteerd waarvan ik er twee heb gebruikt voor het koelen van een hete Thunderbird. Deze heeft zoals je kan zien een Vmax van 24,6V, een Imax van 11,3A, een Qmax van 172W en een DTmax van 69 graden. Als je vervolgens op het knopje “Standard” drukt krijg je de volgende grafiekjes op je bordje geschoteld:

Deze spreken redelijk voor zich. De eerste grafiek laat zien wat het verband is tussen de DeltaT en verschillende warmtebelastingen. De tweede laat het verband zien tussen het voltage en het temperatuurverschil. De derde laat de efficiency zien als verband tussen DeltaT. De COP is de verhouding tussen verbruikte energie en de weggepompte energie. Een COP van 0,5 kan bijvoorbeeld beteken dat er 50W wordt verplaatst terwijl er 100W wordt verbruikt. De laatste grafiek laat het verband tussen de spanning en de stroomsterkte zien. Interessanter is echter het knopje “Detailed”:

Hierachter zit een enorme hoeveelheid grafieken. Bij elk tabblad zijn twee constanten gekozen welke aan te passen zijn. Bij bijvoorbeeld het eerste tabblad kan je instellen wat de warmtebelasting aan de koude kant (Qc) is en wat de temperatuur aan de warme kant (Th) is. Als je bijvoorbeeld denkt dat je de warme kant op 30 graden Celcius (eerst omrekenen naar Kelvin!) kan houden en dat er 100W weggepompt moet worden kan je simpel de verwachte temperatuur zien aan de koude kant. Grafiek 1 laat dit zien met als variabelen het voltage, de stroom en het wattage.

De peltier voeding

Zoals je al hebt kunnen zien slurpt een peltier element de nodige energie. Op 24V zal een 172W peltier element ongeveer 260W willen gebruiken, en daarom is een stevige voeding vereist. Zeker als je er twee gebruikt zoals ik heb gedaan . Om aan een geschikte voeding te komen zijn verschillende methodes waarvan ik hieronder de voor- en nadelen op een rijtje zal zetten.

Een nieuwe voeding kopen

Deze oplossing is natuurlijk een erg nette, maar jammer genoeg alleen geschikt voor mensen met een dikke portemonnee. Een 24V, 10A geschakelde voeding kost bij conrad al ruim 575 gulden en dan heb je eigenlijk nog maar een model wat krap zit qua leverbare stroom (bestnr. 74 32 34-81). Voor een geavanceerder exemplaar die compleet regelbaar is moet helemaal grof geld voor neer worden geteld, Een 0-36V, 10A voeding kost zelfs meer dan 1000 gulden (bestnr. 51 03 27-81). Voor veel tweakers is dit dus geen optie om peltier elementen van stroom te voorzien.

Voor peltier elementen die een lager voltage nodig hebben kan dit in veel gevallen wel een optie zijn. 15,6V peltier elementen kunnen prima op 12 of 13,8V werken en voedingen die deze spanningen leveren zijn niet zo bijzonder. Bijvoorbeeld radio apparatuur gebruikt vaak 13,8V en daarom zijn er veel meer, en ook goedkopere exemplaren te koop die een voldoende stroom kunnen leveren.

Een tweedehands voeding

Als een nieuwe voeding te duur is, is de oplossing sim-pel. Koop een tweedehands exemplaar. Op grote veilingsites zoals E-Bay zijn regelmatig prima voedingen te koop die voor een prikkie van eigenaar verwisselen. Op deze manier ben ik ook aan mijn voedingen gekomen. Via E-bay heb ik twee goedkope (35 dollar per stuk) geschakelde voedingen kunnen bemachtigen. Deze kunnen 21.6-26,4V leveren @ 15A. Meer dan genoeg dus voor een 172W peltier element.

Mijn tweetal Power-One PFC375-1024 voedingen

Een paar termen die je wellicht tegen komt bij zware voedingen zijn PFC en Remote Sensing. PFC staat voor Power Factor Correction wat inhoud dat de voeding een zo’n mooi mogelijke belasting op het 230V net zal zetten. In plaats een stevig fluctuerend stroomverbruik zal de voeding proberen een weerstand te imiteren. Hij zal dus een zo constant mogelijk stroom proberen te trekken, iets waar het energiebedrijf en eventuele gevoelige apparatuur wel blij mee is.

Remote Sensing is iets wat je ook vaak ziet op professionele voedingen. Hiermee kan de voeding het reguleren van de spanning plaats laten vinden vlak bij de stroomverbruiker, en niet binnenin de voeding zelf. Dit zorgt voor een mooiere spanning over het apparaat. Niet belangrijk voor een peltier element, maar soms belangrijk bij het aansluiten van de voeding. Sommige geschakelde voedingen kunnen zonder aangesloten sense line geen stabiele spanning leveren.

Zelf bouwen

De laatste oplossing is natuurlijk het leukst, en niet eens bijzonder ingewikkeld. Met behulp van een paar onderdelen valt al een stevige voeding te bouwen. Nadeel is dat deze niet regelbaar is (is wel mogelijk, maar erg moeilijk). Met behulp van een transformator, een bruggelijkrichter en een paar flinke elco’s valt een leuke voeding te bouwen.

Hierover heeft Tweakers.net bezoeker DaBit een erg informatieve site in elkaar geknutseld waarin precies wordt uitgelegd hoe je dit moet aanpakken en welke componenten je nodig hebt. Deze kan je hier vinden.

Zelfbouw peltier voeding (gemaakt door Boolio_Eglesias)

Een mooi voorbeeld: de zelfgemaakte voeding van Boolio_Eglesias

AT(X) voedingen aan elkaar knopen

De laatste mogelijkheid is meerdere normale AT of ATX voedingen in serie of parallel te schakelen. Als je bijvoorbeeld 4 ATX voedingen hebt die 8A kunnen leveren op de 12V lijn kan je hier een 32A voeding @ 12V, een 16A voeding @ 24V en een 8A voeding @ 48V van maken. Hiervoor zul wel de verschillende aardes van de voedingen los moeten koppelen zodat ze geen contact met elkaar maken. Over dit onderwerp is op ProCooling.com een kleine guide verschenen welke hier te vinden is. Deze methode verdient niet mijn voorkeur, omdat de AT(X)voedingen voor dit type werk niet echt geschikt zijn en daarnaast is dit niet bepaald ruimteefficiënt.

Isolatie

Als je gaat koelen met een peltier element is het nodig om alle onderdelen die benenden de kamer temperatuur komen grondig te isoleren. Zodra de temperatuur benenden de kamertemperatuur is het in principe mogelijk dat er condens gaat vormen. Dit hangt ook af van de lucht vochtigheid, maar als ook als je een temperatuur verwacht van net een paar graden beneden het vriespunt is het ook verstandig om te isoleren.

Aangezien condens zich kan vormen op alles wat beneden de kamertemperatuur komt, is het nodig om de zijkanten van het peltier element, de coldplate, de CPU en het moederbord in de buurt van de CPU te isoleren. Dit is geen moeilijk werkje, maar het is belangrijk om het zorgvuldig te doen. Niks is ergens dan een druppel water die stiekem op een niet goed geïsoleerd plekje ontstaat en vervolg naar beneden valt op je kostbare hardware.

Voor het isoleren heb je een drietal materialen nodig: luchtdicht schuimrubber (neopreen is perfect), zuurvrije siliconen kit en vaseline. Door creatief te zijn met schuimrubber kan je goed isolerende verpakking maken. Ik heb een 4mm dikke mat neopreen gebruikt waaruit ik verschillende laagjes heb geknipt met het juiste formaat zodat het goed rond de socket past. Deze laagjes heb ik met Bison Tix contact lijm voor rubber aan elkaar geplakt. Maar met hechtende siliconen kit zou je dit bijvoorbeeld ook kunnen doen.

Verder heb ik een stuk neopreen tegen de achterkant van m’n moederbord geplakt om condensatie vorming aldaar tegen te gaan. Daarnaast heb ik tussen alle kieren siliconen kit of vaseline gesmeerd om alles 100 procent lucht dicht te maken. Ook belangrijk is om de binnenkant van de socket goed te isoleren. Hiervoor heb ik een klein stukje neopreen gebruikt welke precies binnenin de socket past. Daarnaast heb ik in alle gaatjes van de socket wat vaseline gesmeerd.

Het nadeel van vaseline is dat het een beetje een smerige boel wordt, maar in tegen stelling tot siliconen kit is het niet permanent. Je kan makkelijk alles weer uit elkaar halen en je verliest niet de garantie op je moederbord. De vaseline is namelijk met wat moeite wel weer te verwijderen.

Isolatie rondom de coldplate en de zijkanten van de peltier elementen.

Resultaten

Allereerst de relevante onderdelen die ik heb gebruikt in het systeem:

Hardware
Processor	AMD Athlon 1,4GHz (AYHJA)
Moederbord	Abit KT7A (met voltage mod)
Geheugen	256MB Mushkin Rev. 2
Videokaart	Asus V6600 DeLuxe
Waterkoeling onderdelen
Waterblok	DangerDen Maze 2-2, 1/2"
Radiator	Black Ice II
Pomp	Eheim 1250
Slangen	10 en 13mm ID siliconen slang
Peltier onderdelen
Peltiers	2x Drift 0.8
Voedingen	2x Power-One PFC375-1024
Luchtkoeling
Intake	2x 120mm Panaflow H1A
Outtake	2x 120mm Panaflow H1A 1x 60mm Delta MP 3x 80mm (via de voedingen)

Ik zal niet langer treuzelen en de resultaten presenteren. In de tabel hieronder staat de behaalde temperatuur, de kloksnelheid en bijzondere spullen die ik daarvoor heb gebruikt. Deze zal ik zo meteen toelichten.

Overclock	Koeling	Extra	Temp.
1551MHz (11x141MHz) @ 1,9V	Alpha PAL6035	-	50 C
1813MHz (12,5x146MHz) @ 2,21V	Dual 172W peltiers	-	2 C
1838MHz (12,5x148MHz) @ 2,21V	Dual 172W peltiers	430W Enermax	2 C
1838MHz (12,5x148MHz) @ 2,21V	Dual 172W peltiers	Waterwetter	-1 C

Zoals je kan zien is het me net gelukt om een zwaar overgeclockte Thunderbird beneden het vriespunt te krijgen. In mijn ogen zeker geen slechte prestatie . Om precies te zijn, ik heb nog niemand op internet gezien die dat gelukt is in een continue systeem (Dus niet iets eenmaligs zoals met droog ijs, of vloeibare stikstof).

Waterwetter (klein) De OC-Shop was zo vriendelijk om een flesje Water Wetter te leveren voor dit project. Water Wetter is een roze, chemisch goedje wat onder andere zorgt voor een beter contact tussen het water, het waterblok en de radiator (op de fles staat in het engels dat het zorgt voor natter water). Zoals je kan zien mag ik de 10ml Water Wetter die ik toegevoegd heb aan m’n systeem dankbaar zijn, dit was net het laatste duwtje in de juiste richting .

Iets anders wat je ongetwijfeld is opgevallen is dat ik twee verschillende voedingen heb gebruikt. Eerst ben ik begonnen met een 300W AOpen, maar ik heb ook geprobeerd of een 431W Enermax enig verschil zou uitmaken (met dank aan de TweakShop). En niet geheel tot m’n verassing bleek dat inderdaad het geval, met een maximaal energieverbruik van ongeveer 140W (!) weet de 1,4GHz Thunderbird de AOpen voeding aardig te laten zweten. Met de 431W kon ik de FSB twee stapjes omhoog zetten wat resulteerde in een snelheidswinst van 25MHz.

Als je trouwens denkt dat ik nu het snelste systeem heb in de wijde omtrek ben ik bang dat ik slecht nieuws heb. Aangezien geld niet op m’n rug groeit (was het maar waar) heb ik wel een leuk koelsysteem kunnen bouwen, maar ik zit nog steeds met een GeForce1 SDR videokaart. Dus voor een sneller systeem had ik waarschijnlijk makkelijker, sneller en goedkoper een GeForce3 kunnen aanschaffen. Maar tja, dat is natuurlijk niet zo leuk als dit .

Als laatste wil ik Eynstein computers, TweakShop en de OC-Shop bedanken voor het beschikbaar stellen van verschillende hardware.

Extra foto's

Hieronder zijn verschillende foto's te vinden die nergens anders een plaatsje hebben kunnen krijgen. Naast foto's van mijn peltier opstelling zijn er ook een paar plaatjes te vinden van bijvoorbeeld het relais waarmee ik alles automatisch aan laat gaan en m'n LM317 baybus v 2.1 (met duocolor LED's).

De computer tijdens het casemodden